JP4977736B2

JP4977736B2 - リングビーム変換装置

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Publication number: JP4977736B2
Application number: JP2009116519A
Authority: JP
Inventors: 亨永井; 明良早川; 郁雄和仁
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2029-05-13
Also published as: JP2010266589A

Description

本発明は、特に高出力のレーザビームを用いる光学機器等に適したリング状にレーザビームを変換するリングビーム変換装置に関する。

従来、医療分野や半導体分野等で比較的低出力のレーザビームをリング化して使用することがある。このようなレーザビームを用いる機器には、中実のレーザビームをリングビーム（この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「リングビーム」は、「リング状のレーザビーム」をいう）に変換し、リングビームの内径と外径の比率を光学機器の導光口に適した比率に変換して用いるものがある。

中実のレーザビームをリングビームに変換する光学系として、一般にアキシコン光学系を用いた手法で、以下に示すような透過型光学系と反射型光学系のリングビーム生成光学系が知られている。

図８は、従来のリングビーム変換系を示す第１例の構成図である。この例は透過型光学系であり、この図は透過型円環ビーム生成光学系を示している。この例では、円錐部１０１，１０３が対向するように配置された入射側アキシコンレンズ１００と出射側アキシコンレンズ１０２とによって、中実の入射ビーム１０４がリング状の出射ビーム１０６となるようにしている。この構成によれば、レーザ装置（図示略）から出力された中実の入射ビーム１０４が、入射側アキシコンレンズ１００の円錐部１０１で屈折されてリング状のレーザビーム１０５となり、出射側アキシコンレンズ１０２の円錐部１０３で屈折されて平行なリング状のレーザビーム１０６となって出射されている（この種の先行技術として、例えば、特許文献１がある）。

図９は、従来のリングビーム変換系を示す第２例の構成図である。この例は反射型光学系であり、この図は反射型円環ビーム生成光学系を示している。この例の場合には、反射面が互いに向合うように配置された凸アキシコンミラー１１１，１１４と凹アキシコンミラー１１２，１１５とが１対となった２組のアキシコンミラー群１１０，１１３を設け、両アキシコンミラー群１１０，１１３の凸アキシコンミラー１１１，１１４を石英ガラス基板等のウィンドー１１６，１１７（保持手段）で保持されている。この構成によれば、レーザ装置（図示略）から出力された中実の入射ビーム１１８が、入射側アキシコンミラー群１１０の凸アキシコンミラー１１１で外方向に反射してリング状となり、凹アキシコンミラー１１２で反射された後、出射側アキシコンミラー群１１３の凹アキシコンミラー１１５に反射して凸アキシコンミラー１１４へと反射し、この凸アキシコンミラー１１４で反射されたリングビーム１１９が出射される。この構成の場合、ウィンドー１１７を光軸方向に位置調整することで凸アキシコンミラー１１４の位置を変化させてリング径を調整することができるようにしている。

特開２００５−２８４２８号公報

しかしながら、上述した技術は比較的低出力のレーザビームを対象としたものであり、仮に高出力レーザビームに適用した場合には次のような問題が発生する。

上記図８の透過型光学系の場合、アキシコンレンズ１０１，１０３に高出力レーザビームを透過させると、熱によって屈折率が変化する熱レンズ効果を生じる場合があり、その場合には焦点距離を狂わせてしまう。そのため、高出力レーザビームでの利用を考えると、透過型ではこの熱レンズ効果の影響によって適用は難しい。このことは、上記特許文献１も同様である。

一方、上記図９の反射型光学系の場合、凸アキシコンミラー１１１，１１４を保持するために、図示する石英ガラス基板等のウィンドー１１６，１１７や、複数のリブを放射状に設けたスパイダー等（図示略）の保持手段が必要となるが、これらミラーの保持手段がレーザビームの光路上に存在する妨害物となって高出力レーザビームに出力損失を生じさせてしまう。

ウィンドー１１６，１１７の場合は、透過型光学系の場合と同様に熱レンズの問題が発生する。また、スパイダーの場合には、ビームを吸収して熱を持つと熱歪みに伴ってアライメントを狂わせてしまうほか、スパイダーからの反射光・散乱光も性能上や安全上の問題を招いてしまう。

さらに、凸アキシコンミラーの頂点部分は完全な加工や反射コーティングが困難で不完全な部分が残る場合があり、その場合には入射させた中実レーザビームが頂点部分で乱反射するおそれがある。しかも、その乱反射は頂点部分の微妙な仕上り状態に依存しているため、全く予想できない。その上、内部への透過等も懸念される。

このように、上記従来のアキシコン光学系には、高出力レーザビームを使用する場合に、熱レンズ効果や光路上での妨害物による出力損失といったマイナス因子を極力排除することが解決すべき課題としてある。

そこで、本発明は、特に高出力のレーザビームを対象とし、全て反射型光学素子を用いて高出力を保ったままで、外径／内径比が使用機器に適した比率のリングビームに変換できるリングビーム変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、使用機器に適したリング状のレーザビームに変換するリングビーム変換装置であって、レーザビームを同一光軸で反射する、内方向に配置した凸アキシコンミラーと外方向に配置した凹アキシコンミラーとを有するアキシコンミラー群と、該アキシコンミラー群の凸アキシコンミラーで反射させるレーザビームが通過するレーザ通過孔と、該アキシコンミラー群の凹アキシコンミラーで反射させるレーザビームを所定角で反射させる反射面とを有するスクレーパミラーとを備え、前記アキシコンミラー群及びスクレーパミラーの保持手段を前記レーザビームの光路外に配置している。この明細書及び特許請求の範囲の書類中では、光軸中心方向を「内方向」、光軸中心から半径方向に遠ざかる方向を「外方向」という。これにより、凹凸のアキシコンミラー１対とスクレーパミラー１枚を使用することで、全てが反射型光学素子のみで構成されるリングビーム変換光学系を構築し、これらのミラー保持手段をレーザビームが透過することがない光路外に配置できるので、出力損失や熱レンズ効果を受けることなく、外径／内径比が使用機器に適した比率となったリング状のレーザビームを出射することが可能となる。しかも、このように構成することにより、凹アキシコンミラーと凸アキシコンミラーとを一体的に加工あるいは一体的に構成することもでき、高精度を保ったまま堅牢に仕上げることが可能になると共に、光学素子の配置も簡便化され、アライメントも容易なリングビーム変換装置を構成することができる。

また、前記スクレーパミラーは、入射させるレーザビームを所定角で反射させる反射面と、出射させるレーザビームが中央部を通過するレーザ通過孔とを有し、前記アキシコンミラー群は、前記スクレーパミラーで反射させたレーザビームを内方向に反射させて所定径のリングビームとする凹アキシコンミラーと、該凹アキシコンミラーで反射させたレーザビームを該凹アキシコンミラーの入射側に反射させる凸アキシコンミラーとを有していてもよい。このようにすれば、例えば、不安定共振器から出力された細いリングビームの外径／内径比を拡大（リングを太く）したリングビームに変換することができ、集光性を向上させることができる。

さらに、前記アキシコンミラー群は、入射させるレーザビームを外方向に反射させて所定径のリングビームを形成する凸アキシコンミラーと、該凸アキシコンミラーで反射させたレーザビームを該凸アキシコンミラーの入射側に反射させる凹アキシコンミラーとを有し、前記スクレーパミラーは、前記凸アキシコンミラーに入射させるレーザビームが通過するレーザ通過孔と、前記凹アキシコンミラーで反射させたレーザビームを所定角で反射させる反射面とを有していてもよい。このようにすれば、高出力で外径／内径比が使用機器に最適な比率となったリング状のレーザビームに変換して同軸反射型集光光学系（例えば、カセグレン式ビーム指向装置）に導光し、長距離伝搬させることができる。

また、前記スクレーパミラーで反射させたリング状のレーザビームを所定角で反射させる反射面を有する第２スクレーパミラーと、該第２スクレーパミラーの反射面で反射させたレーザビームを内方向に反射させる第２凹アキシコンミラーと、該第２凹アキシコンミラーで反射させたレーザビームを入射方向に反射させる第２凸アキシコンミラーと、を有する第２アキシコンミラー群とを備え、前記第２スクレーパミラーは、前記第２凸アキシコンミラーで反射させたレーザビームが通過するレーザ通過孔を中央部に具備していてもよい。このようにすれば、凹凸のアキシコンミラー２対とスクレーパミラー２枚を使用することで、全てが反射型光学素子から構成されるリングビーム変換光学系を構築することができる。しかも、変換後のリングビーム内外径比を大きく（すなわち、リング幅を相対的に太く）できる。

さらに、前記凸アキシコンミラー又は凹アキシコンミラーは、レーザビームの光軸方向に位置調整可能に構成されていてもよい。このようにすれば、ビーム径を調整したい場合に、位置調整可能な凸アキシコンミラー又は凹アキシコンミラーを光軸方向に移動させることで反射するリング状のビーム径を調整することができる。

また、前記アキシコンミラー群は、入射させるレーザビームを外方向に反射させて所定径のリングビームを形成する凸アキシコンミラーと、該凸アキシコンミラーで反射させたレーザビームを収束させるように該凸アキシコンミラーの入射側に反射させる凹アキシコンミラーとを有し、前記スクレーパミラーは、前記凸アキシコンミラーに入射させるレーザビームが通過するレーザ通過孔と、前記凹アキシコンミラーで反射させたレーザビームを所定角で反射させる反射面とを有し、該スクレーパミラーで反射させた収束するレーザビームを平行なレーザビームとして反射する鈍凸アキシコンミラーを具備させると共に、前記スクレーパミラーのレーザ通過孔を、該鈍凸アキシコンミラーで反射させたレーザビームが通過する二方向通過型として構成してもよい。このようにすれば、凸アキシコンミラーと凹アキシコンミラーとを有するアキシコンミラー群が１対となり、構成するミラーの枚数を減らすことで精密加工、及び処理と配置が必要な構成を減らして、装置のコストを抑えることができる。

さらに、前記入射させるレーザビームを反射させる中抜スクレーパミラーを備え、該中抜スクレーパミラーは、入射させるレーザビームの中心部を通過させる小孔と、該小孔を通過させたレーザビーム以外のレーザビームを所定角で反射させる反射面とを有していてもよい。このようにすれば、予め中抜スクレーパミラーで中実の入射レーザビームの中央部に小孔を明けてリング状のレーザビームとすることで、凸アキシコンミラーの頂点部分で反射するレーザビームを無くして光学素子保護等を図ることができる。

また、前記小孔は、入射ビーム径のほぼ１０％で形成されていてもよい。このようにすれば、予め小径の入射ビームの中央部を小さい範囲で除去することにより、出射ビームにおける出力損失を大幅に抑えて高出力レーザビームを出射するようにできる。

本発明によれば、高出力レーザにおいても熱レンズ効果等を受けることなく、外径／内径比が最適な比率のレーザビームを出射することが可能となる。また、反射型光学素子の保持も簡便化され、その調整も容易に行うことができる。

本発明の第１実施の形態に係るリングビーム変換装置を示す構成図である。 (a),(b) は、図１に示すリングビーム変換装置に入射させるレーザビームの中央部から除去したレーザビームを減衰させるビームダンパーの模式図である。図１に示すリングビーム変換装置を用いた同軸反射型集光光学系を示す構成図である。本発明の第２実施の形態に係るリングビーム変換装置を示す構成図である。本発明の第３実施の形態に係るリングビーム変換装置を示す構成図である。図５に示すアキシコンミラー群を示す拡大断面図である。本発明の第４実施の形態に係るリングビーム変換装置を示す構成図である。従来のリングビーム変換系を示す第１例の構成図である。従来のリングビーム変換系を示す第２例の構成図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施の形態に係るリングビーム変換装置を示す構成図であり、図２(a),(b) は、図１に示すリングビーム変換装置に入射させるレーザビームの中央部から除去したレーザビームを減衰させるビームダンパーの模式図である。図３は、図１に示すリングビーム変換装置を用いた同軸反射型集光光学系を示す構成図である。この第１実施の形態は、同軸反射型集光光学系装置（ビーム指向装置）に関するものであり、中実のレーザビームをリングビームに変換するリングビーム変換装置である。以下の説明では、リングビーム変換装置内で光軸方向が変化したレーザビームに異なる数字を付して説明する。

図１に示すように、この実施の形態のリングビーム変換装置１は、レーザ装置８０から出力された中実のレーザビームＬが、予め、平板状の中抜スクレーパミラー２（この明細書及び特許請求の範囲の書類中では、「中抜スクレーパミラー」という）によって、中央部が除去されたリング状の入射ビームとなるようにしている。この中抜スクレーパミラー２によるレーザビームＬの中央部除去は必要に応じて行えばよく、図示する点線８１の部分は必要に応じて設けられる。

上記中抜スクレーパミラー２は、レーザ装置８０から出力された中実のレーザビームＬの光軸に対して、４５゜の角度で傾斜して設置されている。中抜スクレーパミラー２には、レーザビームＬの光軸中心で貫通する小孔３が設けられている。この小孔３は、中抜スクレーパミラー２の両側面に対して４５゜の角度で傾斜した方向に直線状に貫通している。この小孔３を通過したレーザビームＬｏは、高出力の状態であるため、ビームダンパー５によって減衰させられる。また、中抜スクレーパミラー２のレーザ装置側の面は反射面４となっており、この反射面４にはレーザ装置８０からのレーザビームＬを入射角に対して全反射するコーティングが施されている。

この中抜スクレーパミラー２の小孔３により、レーザ装置８０から出力された中実のレーザビームＬの中央部が除去され、小孔３を通過するレーザビームＬｏ以外が反射面４で反射されるようになっている。この小孔３としては、例えば、入射するレーザビームＬの径の約１０％程度とする。このようにレーザビームＬの中央部の約１０％を除去したとしても、リングビーム変換装置１から最終的に出射されるレーザビームＬ３（図１の実施の形態）の出力損失を約２％にすることができ、例えば、従来の、予め孔径比を０．５（外径／内径比が２）としたリングビームにしてから入射させている場合の出射時の出力損失である約３９％を大幅に減らし、高出力を保つことができる。また、このようにレーザビームＬの中央部を予め除去することにより、後述するようにアキシコンミラー群１７の凸アキシコンミラー１３の頂点にレーザビームＬ１が入射しないようにできる。

図２(a),(b) に示すように、上記ビームダンパー５としては、(a) のように、銅等の金属製ブロック６にコーン状の穴７を形成したものや、(b) のように、円筒状の穴８を形成したものが用いられる。これらの穴７，８の内面には、吸収率増加のための処理（例えば、黒色塗装、黒色酸化被膜など）が施される。また、必要であれば、ブロック６内に水路（図示略）を設けて冷却するようにしてもよい。このようなビームダンパー５により、中抜スクレーパミラー２の小孔３を通過した不要なレーザビームＬｏは多重反射させられて吸収される。このようなビームダンパー５は一例であり、他の構成であってもよい。

一方、図１に示すように、上記中抜スクレーパミラー２の反射面４で反射されたレーザビームは、中央部が中空のリング状レーザビームＬ１となって反射させられる。このレーザビームＬ１の光軸上には、第１スクレーパミラー１０が配設されている。この第１スクレーパミラー１０は４５°の角度で傾斜して設置され、中央部には、上記中抜スクレーパミラー２で反射されたレーザビームＬ１が通過するレーザ通過孔１１が設けられている。このレーザ通過孔１１は、第１スクレーパミラー１０の両側面に対して４５゜の角度で傾斜した方向に直線状に貫通している。この第１スクレーパミラー１０の反入射側は、レーザビームＬ１を反射させる反射面１２となっている。この反射面１２には、レーザビームＬ１を、入射角に対して全反射するコーティングが施されている。

また、第１スクレーパミラー１０のレーザ通過孔１１を通過したレーザビームＬ１の光軸上には、円錐状の反射面１４を有する凸アキシコンミラー１３を内方向に有し、逆円錐状の一部で形成された反射面１６を有する凹アキシコンミラー１５を外方向に有する第１アキシコンミラー群１７が設けられている。これら凸アキシコンミラー１３と凹アキシコンミラー１５とは、同一軸心で配置されており、凸アキシコンミラー１３の頂点が光軸上となるように配置されている。これら凸アキシコンミラー１３と凹アキシコンミラー１５とは一体的に構成されていてもよいが、この実施の形態では、凸アキシコンミラー１３が光軸方向に位置調整可能となっている。この凸アキシコンミラー１３を光軸方向に位置調整可能とすることにより、後述するように、凸アキシコンミラー１３の反射面１４で反射させるレーザビームＬ１の径を調整できるようにしている。

一方、上記第１スクレーパミラー１０と対向するように第２スクレーパミラー２０が配置されている。この第２スクレーパミラー２０は、第１スクレーパミラー１０の傾斜方向と逆方向に４５°の角度で傾斜して設置されており、第１スクレーパミラー１０の反射面１２で９０°反射されたレーザビームＬ２を、更に９０°反射させるようになっている。この第２スクレーパミラー２０のレーザビーム入射側が反射面２２であり、第１スクレーパミラー１０からのレーザビームＬ２を、入射角に対して全反射するコーティングが施されている。

この第２スクレーパミラー２０で反射されたレーザビームＬ３の光軸上には、円錐状の反射面２４を有する凸アキシコンミラー２３を内方向に有し、逆円錐状の一部で形成された反射面２６を有する凹アキシコンミラー２５を外方向に有する第２アキシコンミラー群２７が設けられている。これら凸アキシコンミラー２３と凹アキシコンミラー２５とは、同一軸心で配置されており、凸アキシコンミラー２３の頂点が、光軸上となるように配置されている。これら凸アキシコンミラー２３と凹アキシコンミラー２５とは、一体的に構成されていてもよい。

また、上記第２スクレーパミラー２０の中心部には、上記凸アキシコンミラー２３で反射されたレーザビームＬ３が通過するレーザ通過孔２１が設けられている。このレーザ通過孔２１は、第２スクレーパミラー２０の両側面に対して４５゜の角度で傾斜した方向に直線状に貫通している。

さらに、このような構成のリングビーム変換装置１によれば、第１、第２スクレーパミラー１０，２０、及び第１、第２アキシコンミラー群１７，２７の保持手段３０（例えば、支持アーム等）をレーザビームＬ１，Ｌ２，Ｌ３の光路外に配置して、これらのミラーを保持することができる。

以上のように構成された第１実施の形態のリングビーム変換装置１によれば、以下のようにして、中実のレーザビームＬを外径／内径比が使用機器に適した比率のリングビームＬ３に変換することができる。

まず、レーザ装置８０から出力された中実のレーザビームＬは、中抜スクレーパミラー２で反射させることによって、中央部が除去されたリング状のレーザビームＬ１となって第１スクレーパミラー１０のレーザ通過孔１１を通過し、第１アキシコンミラー群１７へと反射される。

このレーザビームＬ１は、凸アキシコンミラー１３の反射面１４で凹アキシコンミラー１５の反射面１４に向けて９０°反射され、この凹アキシコンミラー１５の反射面１６で９０°反射されたレーザビームＬ１は、上記第１スクレーパミラー１０へと反射される。この第１アキシコンミラー群１７によるレーザビームＬ１の反射によって、小径のリングビームが大径のリングビームＬ１となって第１スクレーパミラー１０の反射面１２へと反射される。

この第１スクレーパミラー１０の反射面１２で反射されたレーザビームＬ２は、この実施の形態では９０°方向転換されて第２スクレーパミラー２０へと反射され、この第２スクレーパミラー２０の反射面２２で９０°反射されたレーザビームＬ３は、第２アキシコンミラー群２７へと反射される。

この第２アキシコンミラー群２７では、レーザビームＬ３が凹アキシコンミラー２５の反射面２６で凸アキシコンミラー２３の反射面２４に向けて９０°反射され、この凸アキシコンミラー２３の反射面２４で９０°反射されたレーザビームＬ３は、上記第２スクレーパミラー２０の方向へと反射される。

このようにして第２アキシコンミラー群２７へ反射されたレーザビームＬ３は、第１スクレーパミラー１０から入射される大径のリング状レーザビームＬ２が、外径／内径比が使用機器に適した比率のリング状レーザビームＬ３となっている。このレーザビームＬ３は、第２スクレーパミラー２０の中央部に設けられたレーザ通過孔２１を通過して、使用機器（例えば、ビーム指向装置等）へと出射される。

しかも、上記第１アキシコンミラー群１７の凸アキシコンミラー１３を光軸方向に位置調整することにより（図示する２点鎖線）、反射するリングビームＬ３の外径／内径比を使用機器に適した比率に調整することができる。

図３は、上記リングビーム変換装置１から出射されたレーザビームＬ３を利用する同軸反射型集光光学系（ビーム指向装置；例えば、カセグレン式ビーム指向装置等）の一例であり、上記リングビーム変換装置１から出射されたレーザビームＬ３は、反射鏡３５，３６を介してリングビームが利用される同軸反射型集光光学系３７に供給される。この同軸反射型集光光学系３７に利用されるレーザビームＬ３は、外径／内径比が機器に最適な比率となっており、しかも、高出力を保った太いビームの状態で供給されるので、良好な集光性を伴う長距離の伝搬も可能となる。このリングビーム変換装置１を用いる例は一例であり、他の構成の同軸反射型集光光学系に用いてもよい。

このように、この第１実施の形態のリングビーム変換装置１によれば、高出力の中実レーザビームＬを外径／内径比が機器に最適な比率となったリングビームＬ３に変換し、同軸反射型集光光学系に導光・伝搬させるシステムを構成することができる。

図４は、本発明の第２実施の形態に係るリングビーム変換装置を示す構成図である。この第２実施の形態のリングビーム変換装置４１は、不安定共振器４０（レーザ発振器）から出力された細いリングビームＬ１を、外径／内径比が使用機器に適した比率となった太いリングビームＬ２に変換するものである。この第２実施の形態では、上記第１実施の形態における第１アキシコンミラー群１７と第１スクレーパミラー１０の符号を用いて説明する。

図示するように、このリングビーム変換装置４１では、不安定共振器４０（レーザ発振器）内でリング状となったレーザビームＬが、細いリング状のレーザビームＬ１となって入射されている。このレーザビームＬ１は、４５°の角度で傾斜して設置されたスクレーパミラー１０の反射面１２によって９０°反射され、このレーザビームＬ２がアキシコンミラー群１７へ反射されている。

このレーザビームＬ２は、凹アキシコンミラー１５の反射面１６で凸アキシコンミラー１３の反射面１４に向けて９０°反射され、この凸アキシコンミラー１３の反射面１４で９０°反射されたレーザビームＬ２は、スクレーパミラー１０の中央部に形成されたレーザ通過孔１１を通過して太いリングビームＬ２として出射されている。

この第２実施の形態のリングビーム変換装置４１によれば、不安定共振器４０（レーザ発振器）からリング状で出力された細いレーザビームＬ１の外径／内径比を拡大（細いリングビームを太いリングビームに変換）したリングビームＬ２として、集光性を向上させたシステムを構成することができる。

図５は、本発明の第３実施の形態に係るリングビーム変換装置を示す構成図であり、図６は、図５に示すアキシコンミラー群を示す拡大断面図である。この第３実施の形態において、上記第１実施の形態と同一の構成には同一符号を付して説明する。また、この第３実施の形態のリングビーム変換装置５１は、上述した第１実施の形態のリングビーム変換装置１と同様に、レーザ装置（図示略）から出力された中実レーザビームＬを中抜スクレーパミラー２によって中央部が除去されたリング状のレーザビームＬ１として入射させている。

この第３実施の形態のリングビーム変換装置５１は、レーザビームＬ１，Ｌ２が互いに直交する２方向から通過できるように、斜め４５°で２方向から明けられたレーザ通過孔６１を有するスクレーパミラー６０（この明細書及び特許請求の範囲の書類中では、「直交型スクレーパミラー」という）と、円錐角が僅かに違う凸アキシコンミラー６３及び凹アキシコンミラー６５を有するアキシコンミラー群６７と、このアキシコンミラー群６７によって収束されたレーザビームＬ１，Ｌ２を平行に戻す鈍凸アキシコンミラー６８とが備えられている。

上記直交型スクレーパミラー６０は、入射されるレーザビームＬ１の光軸に対して４５°の角度で傾斜して配置され、反入射側の面が反射面６２となっている。また、上記アキシコンミラー群６７は、この実施の形態では、図６に示すように、上記凸アキシコンミラー６３の反射面６４の円錐角αに対して凹アキシコンミラー６５の反射面６６の円錐角βが僅かに小さくなっており（例えば、約２〜３°）、凸アキシコンミラー６３で反射されたレーザビームＬ１は光軸中心に収束するように反射させられる。さらに、上記鈍凸アキシコンミラー６８は、反射面６９の角度が、上記凹アキシコンミラー６５の角度に応じて設定され、凹アキシコンミラー６５でレーザビームに与えられた角度が平行になる角度に設定される。この鈍凸アキシコンミラー６８は、光軸方向に位置調整可能に構成されている。

この第３実施の形態のリングビーム変換装置５１によれば、レーザ装置（図示略）から出力されたレーザビームＬは、中抜スクレーパミラー２で中央部が除去され、反射面４で反射されたリング状のレーザビームＬ１となって直交型スクレーパミラー６０のレーザ通過孔６１を通過してアキシコンミラー群６７へと反射される。

このレーザビームＬ１は、凸アキシコンミラー６３の反射面６４で凹アキシコンミラー６５に向けて９０°反射され、この凹アキシコンミラー６５の反射面６６で反射されたレーザビームＬ１は、この反射面６６の角度によって収束しながら直交型スクレーパミラー６０の反射面６２へと反射される。この凹アキシコンミラー６５で反射されたレーザビームＬ１が収束させられる角度は、凹アキシコンミラー６５の円錐角βが凸アキシコンミラー６３の円錐角αに対して僅かに小さくなっている角度差となる（図６）。

そして、直交型スクレーパミラー６０の反射面６２で反射されたレーザビームＬ２は、この反射面６２に入射した角度に応じて直交する鈍凸アキシコンミラー６８の方向へと反射される。この鈍凸アキシコンミラー６８への反射も、上記凹アキシコンミラー６５で収束するように反射されたレーザビームＬ１の角度で収束するように反射される。

このレーザビームＬ２は、上記凹アキシコンミラー６５の円錐角βに応じた鈍角で形成された鈍凸アキシコンミラー６８の反射面６９で反射させることによって平行なリング状のレーザビームＬ２に戻される。そして、この鈍凸アキシコンミラー６８の反射面６９で反射されたレーザビームＬ２は、直交型スクレーパミラー６０のレーザ通過孔６１を通過して出射される。

以上のように、この第３実施の形態のリングビーム変換装置５１によれば、１対のアキシコンミラー群６７で外径／内径比が使用機器に適した比率となったリングビームに変換できるので、ミラーの枚数が少なくなり、コストを抑えることができる。しかも、この実施の形態も、各ミラーの保持手段３０が光路を妨害することもなく、高出力レーザビームの出力を保ちながら外径／内径比が最適な比率のリングビームＬ２に変換することができる。その上、上記鈍凸アキシコンミラー６８の位置を調整することによってビーム径を調整することも可能であり、出力機器に応じた外径／内径比のリングビームに調整することも容易にできる。

図７は、本発明の第４実施の形態に係るリングビーム変換装置を示す構成図である。この第４実施の形態は、上記第３実施の形態において入射されるレーザビームＬが矩形の中実ビームとなった例である。上記第３実施の形態と同一の構成であり、同一符号を付して作用を説明する。

図示するように、この実施の形態では、レーザ装置（図示略）から矩形のレーザビームＬがリングビーム変換装置７１の入射ビームとして入射される。このレーザビームＬも、上記第３実施の形態と同様に中抜スクレーパミラー２で反射させることによって中央部が除去されてリング状のレーザビームＬ１として入射される。

この入射されたレーザビームＬ１は、直交型スクレーパミラー６０のレーザ通過孔６１を通過してアキシコンミラー群６７へと反射される。このレーザビームＬ１は、凸アキシコンミラー６３の反射面６４で凹アキシコンミラー６５に向けて９０°反射され、この凹アキシコンミラー６５の反射面６６で反射されたレーザビームＬ１は、収束しながら直交型スクレーパミラー６０の反射面６２へと反射される。このレーザビームＬ１の収束も、上記凹アキシコンミラー６５の反射面６４の円錐角βが凸アキシコンミラー６３の反射面６４の円錐角αに対して僅かに小さくなっているので（図６）、その角度差で収束するように反射される。

また、この凹アキシコンミラー６５の反射面６６での反射は、入射したレーザビームＬ１の内周と外周とが入れ替わった反射となり、入射時に矩形のレーザビームＬの中央部を中抜スクレーパミラー２で円形に除去することで、凹アキシコンミラー６５の反射面６６で反射されたレーザビームＬ１は、外周が円形で、内周が矩形を凸アキシコンミラー６３の反射面６４で反射させた形状となって反射される。

さらに、直交型スクレーパミラー６０の反射面６２に反射されたレーザビームＬ２は、この反射面６２に入射した角度に応じて直交する鈍凸アキシコンミラー６８の方向へと反射される。この鈍凸アキシコンミラー６８への反射も、上記凹アキシコンミラー６５で収束するように反射されたレーザビームＬ１の角度で収束するように反射される。

この鈍凸アキシコンミラー６８の反射面６９で反射されたレーザビームＬ２は、上記凹アキシコンミラー６５で反射されたレーザビームＬ１が平行なリング状のレーザビームＬ２となって反射される。また、この鈍凸アキシコンミラー６８で反射されたレーザビームＬ２は、上記したように内周と外周とが凹アキシコンミラー６５の反射面６６での反射時に入れ替わっているので、直交型スクレーパミラー６０のレーザ通過孔６１を通過して出射されるレーザビームＬ２は、外周が円形のレーザビームとして出射される。

以上のように、この第４実施の形態のリングビーム変換装置７１によっても、全て反射型光学素子で構成することができると共に、その光学素子の保持手段３０が光路を妨害することがないので、高出力レーザビームであっても出力を低下させることなくリングビームに変換することができる。

また、矩形ビーム等、どのような断面形状のレーザビームＬを入射させても外周の丸いレーザビームＬ２を出射することができるので、矩形ビームを出力する固体レーザ等を同軸反射型集光光学系に導光する場合等において好ましい。

以上のように、上記各実施の形態のリングビーム変換装置１，４１，５１，７１によれば、反射型リングビーム生成光学系で必要とされたアキシコンミラー保持用のウィンドーやスパイダー等が不要となり、妨害物による出力損失といったマイナス因子を排除した高出力のリング状レーザビームを出射することができる。

また、入射の際に中抜スクレーパミラー２で予めレーザビームＬの中央部を除去しておくことにより、中実レーザビームＬをリングビームに安定して変換することができる。

なお、上記第１実施の形態では、第１アキシコンミラー群１７の凸アキシコンミラー１３を位置調整可能に構成し、第３，４実施の形態では、鈍凸アキシコンミラー６８を位置調整可能に構成しているが、他のミラーを位置調整可能に構成してもよく、位置調整可能にするミラーは上記実施の形態に限定されるものではない。

また、上述した実施の形態は一例を示しており、全て反射型光学素子を用い、これらの光学素子の保持手段が光路上に存在しないようにすれば、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。

本発明に係るリングビーム変換装置は、高出力レーザを用いる各種光学機器等に利用できる。

１リングビーム変換装置
２中抜スクレーパミラー
３小孔
４反射面
５ビームダンパー
１０第１スクレーパミラー
１１レーザ通過孔
１２反射面
１３凸アキシコンミラー
１４反射面
１５凹アキシコンミラー
１６反射面
１７第１アキシコンミラー群
２０第２スクレーパミラー
２１レーザ通過孔
２２反射面
２３凸アキシコンミラー
２４反射面
２５凹アキシコンミラー
２６反射面
２７第２アキシコンミラー群
３０保持手段
３７同軸反射型集光光学系
４０不安定共振器
４１リングビーム変換装置
５１リングビーム変換装置
６０直交型スクレーパミラー
６１レーザ通過孔
６２反射面
６３凸アキシコンミラー
６４反射面
６５凹アキシコンミラー
６６反射面
６７アキシコンミラー群
６８鈍凸アキシコンミラー
６９反射面
７１リングビーム変換装置
Ｌ中実レーザビーム
Ｌ１〜Ｌ３リング状レーザビーム

Claims

使用機器に適したリング状のレーザビームに変換するリングビーム変換装置であって、
レーザビームを同一光軸で反射する、内方向に配置した凸アキシコンミラーと外方向に配置した凹アキシコンミラーとを有するアキシコンミラー群と、
該アキシコンミラー群の凸アキシコンミラーで反射させるレーザビームが通過するレーザ通過孔と、該アキシコンミラー群の凹アキシコンミラーで反射させるレーザビームを所定角で反射させる反射面とを有するスクレーパミラーと、を備え、
前記アキシコンミラー群及びスクレーパミラーの保持手段を前記レーザビームの光路外に配置したことを特徴とするリングビーム変換装置。
前記スクレーパミラーは、入射させるレーザビームを所定角で反射させる反射面と、出射させるレーザビームが中央部を通過するレーザ通過孔とを有し、
前記アキシコンミラー群は、前記スクレーパミラーで反射させたレーザビームを内方向に反射させて所定径のリングビームとする凹アキシコンミラーと、該凹アキシコンミラーで反射させたレーザビームを該凹アキシコンミラーの入射側に反射させる凸アキシコンミラーとを有している請求項１に記載のリングビーム変換装置。
前記アキシコンミラー群は、入射させるレーザビームを外方向に反射させて所定径のリングビームを形成する凸アキシコンミラーと、該凸アキシコンミラーで反射させたレーザビームを該凸アキシコンミラーの入射側に反射させる凹アキシコンミラーとを有し、
前記スクレーパミラーは、前記凸アキシコンミラーに入射させるレーザビームが通過するレーザ通過孔と、前記凹アキシコンミラーで反射させたレーザビームを所定角で反射させる反射面とを有している請求項１に記載のリングビーム変換装置。
前記スクレーパミラーで反射させたリング状のレーザビームを所定角で反射させる反射面を有する第２スクレーパミラーと、該第２スクレーパミラーの反射面で反射させたレーザビームを内方向に反射させる第２凹アキシコンミラーと、該第２凹アキシコンミラーで反射させたレーザビームを入射方向に反射させる第２凸アキシコンミラーと、を有する第２アキシコンミラー群と、を備え、
前記第２スクレーパミラーは、前記第２凸アキシコンミラーで反射させたレーザビームが通過するレーザ通過孔を中央部に具備している請求項３に記載のリングビーム変換装置。
前記凸アキシコンミラー又は凹アキシコンミラーは、レーザビームの光軸方向に位置調整可能に構成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のリングビーム変換装置。
前記アキシコンミラー群は、入射させるレーザビームを外方向に反射させて所定径のリングビームを形成する凸アキシコンミラーと、該凸アキシコンミラーで反射させたレーザビームを収束させるように該凸アキシコンミラーの入射側に反射させる凹アキシコンミラーとを有し、
前記スクレーパミラーは、前記凸アキシコンミラーに入射させるレーザビームが通過するレーザ通過孔と、前記凹アキシコンミラーで反射させたレーザビームを所定角で反射させる反射面とを有し、
該スクレーパミラーで反射させた収束するレーザビームを平行なレーザビームとして反射する鈍凸アキシコンミラーを具備させると共に、前記スクレーパミラーのレーザ通過孔を、該鈍凸アキシコンミラーで反射させたレーザビームが通過する二方向通過型として構成した請求項１に記載のリングビーム変換装置。
前記入射させるレーザビームを反射させる中抜スクレーパミラーを備え、
該中抜スクレーパミラーは、入射させるレーザビームの中心部を通過させる小孔と、該小孔を通過させたレーザビーム以外のレーザビームを所定角で反射させる反射面とを有している請求項３〜６のいずれか１項に記載のリングビーム変換装置。
前記小孔は、入射ビーム径のほぼ１０％で形成されている請求項７に記載のリングビーム変換装置。